RU2626577C2

RU2626577C2 - Electromagnetic-acoustic transducer

Info

Publication number: RU2626577C2
Application number: RU2015125324A
Authority: RU
Inventors: Николай Павлович Алешин; Яков Исаакович Биндер; Михаил Владимирович Григорьев; Александр Леонидович Гутников; Максим Андреевич Прилуцкий; Татьяна Владимировна Падерина; Ленар Рауфович Максутов
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-07-28
Also published as: RU2015125324A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: electromagnetic-acoustic transducer contains a magnetic system in the form of a permanent magnet and three flat coils electrically isolated from each other and located under the magnet one under the other. The permanent magnet is made in the form of a solid cylinder with a ratio of its diameter to a height of one to three, and the turns of one flat coil are directed at an angle of one hundred and twenty degrees to the turns of the other two coils, and the diameter of the circumference describing the turns of each coil is equal to the diameter of the permanent magnet.

EFFECT: providing the excitation possibility of horizontally polarized ultrasonic waves with a polarization direction at an angle of 120 degrees to each other.

1 dwg

Description

Задачей заявляемого изобретения является создание бесконтактного устройства, что позволит повысить выявляемость разноориентированных дефектов за счет применения различных направлений поляризации, а это приведет к снижению числа аварий.The objective of the invention is the creation of a contactless device, which will increase the detectability of misoriented defects through the use of different directions of polarization, and this will lead to a decrease in the number of accidents.

В настоящее время известны некоторые конструкции электромагнитно-акустических преобразователей для неразрушающего определения действующих механических напряжений и нахождения несплошностей.Currently, some designs of electromagnetic-acoustic transducers for non-destructive determination of existing mechanical stresses and finding discontinuities are known.

Так, известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий намагничивающее устройство с полюсом, параллельным поверхности контролируемого изделия, и две плоские катушки, электрически изолированные друг от друга и расположенные под полюсом одна над другой таким образом, что витки одной катушки направлены под углом 90° к виткам другой катушки (Патент RU 134658, G01N 29/04, 2013). Данная схема позволяет выявлять дефекты, ориентированные под углами от 0° до 30°, от 60° до 120° и от 120° до 150° к нормали от направления поляризации на одном уровне чувствительности. Если же дефект расположен под углами от 30° до 60° или от 120° до 150°, амплитуда сигнала этого дефекта будет ниже, что приведет к снижению достоверности контроля.Thus, an electromagnetic-acoustic transducer is known, comprising a magnetizing device with a pole parallel to the surface of the product being monitored, and two flat coils electrically isolated from each other and located one above the other under the pole so that the turns of one coil are directed at an angle of 90 ° to the turns another coil (Patent RU 134658, G01N 29/04, 2013). This scheme makes it possible to detect defects oriented at angles from 0 ° to 30 °, from 60 ° to 120 °, and from 120 ° to 150 ° to the normal to the direction of polarization at the same sensitivity level. If the defect is located at angles from 30 ° to 60 ° or from 120 ° to 150 °, the signal amplitude of this defect will be lower, which will reduce the reliability of the control.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является электромагнитно-акустический преобразователь (патент RU №2441230, G01N 29/04, 2010), содержащий намагничивающее устройство в виде сплошного цилиндрического постоянного магнита и две плоские катушки в форме меандра, электрически изолированные друг от друга и расположенные под магнитом одна над другой. Витки одной плоской катушки направлены под углом 90° к виткам другой катушки.Closest to the proposed invention, the technical solution is an electromagnetic-acoustic transducer (patent RU No. 2441230, G01N 29/04, 2010), containing a magnetizing device in the form of a continuous cylindrical permanent magnet and two flat coils in the shape of a meander, electrically isolated from each other and located under the magnet one above the other. The turns of one flat coil are directed at an angle of 90 ° to the turns of the other coil.

Недостатком устройства-прототипа является то, что преобразователь не позволяет выявлять разнонаправленные дефекты на одном уровне чувствительности, что в свою очередь снижает достоверность контроля.The disadvantage of the prototype device is that the converter does not allow to detect multidirectional defects at the same sensitivity level, which in turn reduces the reliability of the control.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - возбуждение горизонтально поляризованных ультразвуковых волн с различным направлением поляризации, обеспечивающая «зону захвата» в 360°. Это позволит обнаруживать дефекты произвольной ориентации в плоскости поляризации.The problem to which the invention is directed is the excitation of horizontally polarized ultrasonic waves with different directions of polarization, providing a "capture zone" of 360 °. This will allow to detect defects of arbitrary orientation in the plane of polarization.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция электромагнитно-акустического преобразователя обеспечивает генерацию механических колебаний с поляризацией ультразвуковых волн в плоскости, параллельной поверхности ввода, под углом 120° относительно друг друга.The essence of the invention lies in the fact that the proposed design of the electromagnetic-acoustic transducer provides the generation of mechanical vibrations with the polarization of ultrasonic waves in a plane parallel to the input surface, at an angle of 120 ° relative to each other.

Это достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе, содержащем магнитную систему в виде постоянного магнита и три плоские катушки, электрически изолированные друг от друга и расположенные под магнитом одна под другой, постоянный магнит выполнен в виде сплошного цилиндра при отношении его диаметра к высоте 1:3, витки одной плоской катушки направлены под углом 120° к виткам другой катушки, а диаметр окружности, описывающей витки каждой катушки, равен диаметру постоянного магнита.This is achieved by the fact that in an electromagnetic-acoustic transducer containing a magnetic system in the form of a permanent magnet and three flat coils, electrically isolated from each other and located under the magnet one under the other, the permanent magnet is made in the form of a solid cylinder with a ratio of its diameter to height 1 : 3, the turns of one flat coil are directed at an angle of 120 ° to the turns of another coil, and the diameter of the circle describing the turns of each coil is equal to the diameter of the permanent magnet.

Заявляемый электромагнитно-акустический преобразователь за счет отсутствия влияния состояния поверхности объекта контроля и отсутствия влияния контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля на результат измерений дает возможность повысить достоверность результатов контроля.The inventive electromagnetic-acoustic transducer due to the lack of influence of the state of the surface of the control object and the absence of contact of the transducer with the surface of the control object on the measurement result makes it possible to increase the reliability of the control results.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что аналоги, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения, не обнаружены, а из перечня аналогов подобран прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков, что позволило определить отличительные признаки заявляемого технического решения. По мнению заявителя, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна» по действующему законодательству.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information containing information about analogues of the invention, made it possible to find that analogues that are characterized by the features of the claimed invention were not found, and a prototype was selected from the list of analogues as the closest in the set of features , which allowed to determine the distinguishing features of the proposed technical solution. According to the applicant, the claimed invention meets the criterion of "novelty" according to the current legislation.

Предлагаемое техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники, поэтому оно соответствует критерию «изобретательский уровень». Для подтверждения промышленной применимости изобретения представлен чертеж, поясняющий работу электромагнитно-акустического преобразователя.The proposed technical solution does not follow explicitly from the prior art, therefore, it meets the criterion of "inventive step". To confirm the industrial applicability of the invention, a drawing is presented explaining the operation of the electromagnetic-acoustic transducer.

Электромагнитно-акустический преобразователь состоит из магнитной системы 1 в виде постоянного магнита, при этом постоянный магнит выполнен в виде сплошного цилиндра диаметром D и высотой Н при соотношении D/H как 1/3, и трех плоских катушек 2, 3 и 4, электрически изолированных друг от друга и расположенных под магнитом 1 одна под другой. Витки катушки 3 направлены под углом 120° к виткам катушки 2, а витки катушки 4 направлены под углом 120° к виткам катушки 3. Диаметр окружности D1, описывающей витки каждой катушки, равен диаметру D постоянного магнита 1.The electromagnetic-acoustic transducer consists of a magnetic system 1 in the form of a permanent magnet, while the permanent magnet is made in the form of a solid cylinder with a diameter D and a height H with a D / H ratio of 1/3, and three flat coils 2, 3 and 4, electrically isolated from each other and located under the magnet 1 one below the other. The turns of the coil 3 are directed at an angle of 120 ° to the turns of the coil 2, and the turns of the coil 4 are directed at an angle of 120 ° to the turns of the coil 3. The diameter of the circle D1 describing the turns of each coil is equal to the diameter D of the permanent magnet 1.

Далее на чертеже обозначены: 5 - изделие; N, S - полюса магнита 1, В - направление магнитного поля; J2, J3, J4 - направления вихревых токов в поверхностном слое изделия 5 от, соответственно, катушек 2, 3 и 4; FJI2, FЛ3, FЛ4 - направления действия сил Лоренца.The following are indicated in the drawing: 5 - product; N, S - magnet poles 1, B - magnetic field direction; J2, J3, J4 — eddy current directions in the surface layer of the product 5 from, respectively, coils 2, 3, and 4; FJI2, FL3, FL4 - the direction of action of the Lorentz forces.

Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом.The electromagnetic-acoustic transducer operates as follows.

Для возбуждения поперечной (сдвиговой) волны он имеет магнитную систему с постоянным магнитом 1 цилиндрического типа, обеспечивающую магнитный поток по нормали к поверхности изделия 5, и индуктор виде трех катушек 2, 3 и 4 в форме меандра, причем витки плоских катушек расположены под углом 120° по отношению друг к другу. В результате взаимодействия наведенного вихревого тока J2 от катушки 2 и магнитного поля В в поверхностном слое материала изделия 5 возникают силы Лоренца FЛ2, направленные нормально по отношению к линиям вихревого тока J2. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца FЛ2. Для возбуждения волны с другой поляризацией на катушку 3 подается напряжение, в результате чего в поверхностном слое материала изделия 5 возникают вихревые токи J3, которые при взаимодействии с магнитным полем В образуют силу Лоренца FЛ3, которая направлена нормально по отношению к линиям вихревого тока J3. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца FЛ3. Для возбуждения волны с третьей поляризацией на катушку 4 подается напряжение, в результате чего в поверхностном слое материала изделия 5 возникают вихревые токи J4, которые при взаимодействии с магнитным полем В образуют силу Лоренца FЛ4, которая направлена нормально по отношению к линиям вихревого тока J4. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца FЛ4.To excite a transverse (shear) wave, it has a magnetic system with a permanent magnet 1 of a cylindrical type, providing a magnetic flux normal to the surface of the product 5, and an inductor in the form of three coils 2, 3, and 4 in the form of a meander, and the turns of flat coils are located at an angle of 120 ° in relation to each other. As a result of the interaction of the induced eddy current J2 from the coil 2 and the magnetic field B in the surface layer of the material of the product 5, Lorentz forces FL2 arise, which are directed normally with respect to the eddy current lines J2. In this case, a transverse (shear) wave is formed with a plane of polarization coinciding with the plane of action of the Lorentz force FL2. To excite a wave with a different polarization, a voltage is applied to the coil 3, as a result of which eddy currents J3 arise in the surface layer of the material of the product 5, which when interacting with the magnetic field B form the Lorentz force FL3, which is directed normally with respect to the eddy current lines J3. In this case, a transverse (shear) wave is formed with a plane of polarization coinciding with the plane of action of the Lorentz force FL3. To excite a wave with a third polarization, a voltage is applied to coil 4, as a result of which eddy currents J4 arise in the surface layer of the material of product 5, which, when interacting with magnetic field B, generate a Lorentz force FL4, which is directed normally with respect to the eddy current lines J4. In this case, a transverse (shear) wave is formed with a plane of polarization coinciding with the plane of action of the Lorentz force FL4.

Прием ультразвуковых колебаний, прошедших через изделие 5 и отразившихся от его противоположной поверхности, происходит по обратному ЭМА-преобразованию, т.е. преобразованию акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы. По временам прохождения ультразвуковых колебаний до противоположной поверхности изделия и обратно можно судить о напряженном состоянии объекта.Reception of ultrasonic vibrations that have passed through the product 5 and reflected from its opposite surface takes place according to the inverse EMA transformation, i.e. the conversion of acoustic vibrations of a metal in a constant magnetic field into electrical signals. By the time of passage of ultrasonic vibrations to the opposite surface of the product and vice versa, one can judge the stress state of the object.

Попеременная подача напряжения на катушки 2, 3 и 4 приводит к возбуждению поперечных волн с разными поляризациями. Это позволяет избежать поворота электромагнитно-акустического преобразователя вокруг своей оси, что вызывает изменение позиционирования электромагнитно-акустического преобразователя относительно изделия 5, т.е. одним электромагнитно-акустическим преобразователем можно возбуждать волны трех различных поляризаций, а следовательно, повысить выявляемость разноориентированных дефектов. Другой особенностью предлагаемого изобретения является возможность автоматизации процесса выявления разноориентированных дефектов.Alternating voltage supply to coils 2, 3 and 4 leads to the excitation of transverse waves with different polarizations. This avoids the rotation of the electromagnetic-acoustic transducer around its axis, which causes a change in the positioning of the electromagnetic-acoustic transducer relative to the product 5, i.e. one electromagnetic-acoustic transducer can excite waves of three different polarizations, and therefore, increase the detectability of misoriented defects. Another feature of the invention is the ability to automate the process of detecting misoriented defects.

Что касается размеров постоянного магнита и катушек, то они выбраны из следующих соображений. При отношении D к Н 1:1 постоянное магнитное поле будет недостаточным для возбуждения УЗ колебаний требуемой амплитуды. При отношении D к Н больше 1:3 амплитуда УЗ колебаний незначительно возрастает, что не сильно сказывается на результате измерений, а массогабаритные характеристики увеличиваются значительно, что нерационально. Таким образом, отношение D к Н, равное 1:3, является оптимальным. Что касается катушки, при диаметре катушки меньше диаметра постоянного магнита, то есть D1 меньше D, интенсивность УЗ волны недостаточна, что снижает достоверность контроля, при D1 больше D необоснованно увеличиваются размеры преобразователя. Таким образом, предложенный электромагнитно-акустический преобразователь соответствует критерию «промышленная применимость» в соответствии с действующим законодательством.As for the dimensions of the permanent magnet and coils, they are selected from the following considerations. With a ratio of D to H 1: 1, a constant magnetic field will be insufficient to excite ultrasonic vibrations of the required amplitude. When the ratio of D to H is greater than 1: 3, the amplitude of the ultrasonic vibrations increases slightly, which does not significantly affect the measurement result, and the weight and size characteristics increase significantly, which is irrational. Thus, the ratio of D to H equal to 1: 3 is optimal. As for the coil, when the diameter of the coil is less than the diameter of the permanent magnet, that is, D1 is less than D, the intensity of the ultrasonic wave is insufficient, which reduces the reliability of the control, with D1 greater than D the size of the converter is unreasonably increased. Thus, the proposed electromagnetic-acoustic transducer meets the criterion of "industrial applicability" in accordance with applicable law.

Claims

An electromagnetic-acoustic transducer containing a magnetic system in the form of a permanent magnet and three flat coils, electrically isolated from each other and located under the magnet one under the other, characterized in that the permanent magnet is made in the form of a solid cylinder with a ratio of its diameter and height of 1: 3 , the turns of one flat coil are located at an angle of 120 ° to the turns of another coil, and the diameter of the circle describing the turns of each coil is equal to the diameter of the permanent magnet.